Partiendo el átomo en casa. Bisabuelo de la bomba atómica

A menudo se dice que hay dos tipos de ciencias: las ciencias grandes y las pequeñas. La división del átomo es una gran ciencia. Tiene gigantescas instalaciones experimentales, presupuestos colosales y recibe la mayor parte de los premios Nobel.

¿Por qué los físicos necesitaban dividir el átomo? La respuesta simple, comprender cómo funciona el átomo, contiene solo una fracción de la verdad, pero también hay una razón más general. Hablar literalmente de la división del átomo no es del todo correcto. En realidad, estamos hablando de una colisión de partículas de alta energía. En la colisión de partículas subatómicas que se mueven a altas velocidades, nace un nuevo mundo de interacciones y campos. Fragmentos de materia portadora de enorme energía, esparcidos tras colisiones, ocultan los secretos de la naturaleza, que desde la “creación del mundo” permanecieron enterrados en las entrañas del átomo.

Las instalaciones en las que se llevan a cabo las colisiones de partículas de alta energía, los aceleradores de partículas, sorprenden por su tamaño y costo. Alcanzan varios kilómetros de diámetro y, en comparación con ellos, incluso los laboratorios en los que se estudian las colisiones de partículas parecen diminutos. En otras áreas de investigación científica, el equipo está ubicado en el laboratorio; en física de alta energía, los laboratorios están conectados al acelerador. Recientemente, el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN), ubicado cerca de Ginebra, asignó varios cientos de millones de dólares para la construcción de un acelerador de anillo. La circunferencia del túnel que se construye con este fin alcanza los 27 km. El acelerador, llamado LEP (LEP, Large Electron-Positron ring), está diseñado para acelerar electrones y sus antipartículas (positrones) a velocidades que son solo "un cabello" diferentes de la velocidad de la luz. Para tener una idea de la escala de energía, imagine que en lugar de electrones, una moneda de un centavo se acelera a tales velocidades. ¡Al final del ciclo de aceleración, tendría suficiente energía para generar $ 1,000 millones en electricidad! No sorprende que tales experimentos se clasifiquen generalmente como física de alta energía. Moviéndose uno hacia el otro dentro del anillo, los haces de electrones y positrones experimentan colisiones frontales, en las que los electrones y los positrones se aniquilan, liberando energía suficiente para crear docenas de otras partículas.

¿Qué son estas partículas? Algunos de ellos son los mismos “ladrillos” con los que estamos construidos: protones y neutrones que forman los núcleos atómicos y electrones que circulan alrededor de los núcleos. Por lo general, no se encuentran otras partículas en la materia que nos rodea: su vida útil es extremadamente corta y, después de que expira, se descomponen en partículas ordinarias. La cantidad de variedades de partículas tan inestables y de vida corta es sorprendente: ya se conocen varios cientos de ellas. Al igual que las estrellas, las partículas inestables son demasiado numerosas para distinguirlas "por su nombre". Muchos de ellos están indicados solo con letras griegas, y algunos son simplemente números.

Es importante tener en cuenta que todas estas numerosas y variadas partículas inestables no son, en modo alguno, constituyentes literales de protones, neutrones o electrones. Los electrones y positrones de alta energía que chocan no se dispersan en absoluto en muchos fragmentos subatómicos. Incluso en colisiones de protones de alta energía, que obviamente consisten en otros objetos (quarks), por regla general, no se dividen en partes constituyentes en el sentido habitual. Lo que sucede en tales colisiones se ve mejor como la producción directa de nuevas partículas a partir de la energía de la colisión.

Hace unos veinte años, los físicos estaban completamente desconcertados por la abundancia y variedad de nuevas partículas subatómicas, que parecían no tener fin. Era imposible entender por qué tantas partículas. Tal vez las partículas elementales sean como los habitantes del zoológico con su pertenencia implícita a familias, pero sin una taxonomía clara. ¿O tal vez, como creían algunos optimistas, las partículas elementales tienen la clave del universo? ¿Qué son las partículas observadas por los físicos: fragmentos insignificantes y aleatorios de materia o los contornos de un orden vagamente percibido que aparecen ante nuestros ojos, indicando la existencia de una estructura rica y compleja del mundo subnuclear? Hoy no hay duda sobre la existencia de tal estructura. El microcosmos tiene un orden profundo y racional, y comenzamos a comprender cuál es el significado de todas estas partículas.

Elija el isótopo apropiado. Algunos elementos o isótopos sufren decaimiento radiactivo y diferentes isótopos pueden comportarse de manera diferente. El isótopo más común del uranio tiene un peso atómico de 238 y consta de 92 protones y 146 neutrones, pero sus núcleos suelen absorber neutrones sin dividirse en núcleos de elementos más ligeros. El isótopo de uranio, cuyo núcleo contiene tres neutrones menos, 235 U, se fisiona mucho más fácilmente que 238 U, y se denomina isótopo fisionable.

La fisión del uranio libera tres neutrones que chocan con otros átomos de uranio, dando como resultado una reacción en cadena.
Algunos isótopos se fisionan con tanta facilidad y rapidez que es imposible mantener una reacción nuclear constante. Este fenómeno se denomina deterioro espontáneo o espontáneo. Por ejemplo, el isótopo de plutonio 240 Pu está sujeto a tal descomposición, en contraste con el 239 Pu con una tasa de fisión más baja.

Para que la reacción continúe después de la desintegración del primer átomo, se debe recolectar suficiente isótopo. Para hacer esto, es necesario tener una cierta cantidad mínima de isótopo fisionable que soporte la reacción. Esta cantidad se llama masa crítica. Se requiere suficiente material de partida para alcanzar la masa crítica y aumentar la probabilidad de descomposición.

Dispara un núcleo atómico de un isótopo a otro núcleo del mismo isótopo. Dado que las partículas subatómicas libres son bastante raras, a menudo es necesario separarlas de los átomos que contienen estas partículas. Una forma de hacerlo es disparar un átomo del isótopo a otro del mismo tipo.

Este método se utilizó para crear la bomba atómica de 235 U que se lanzó sobre Hiroshima. Un arma similar a un cañón con un núcleo de uranio disparó átomos de 235 U a un objetivo de átomos idénticos de 235 U. Los átomos viajaron lo suficientemente rápido como para que los neutrones liberados de ellos penetraran en los núcleos de otros átomos de 235 U y los dividieran. La fisión, a su vez, liberó neutrones, que dividieron los siguientes 235 átomos de U.

Fuego en los núcleos del isótopo fisionable con partículas subatómicas. Una sola partícula subatómica puede golpear un átomo de 235 U y dividirlo en dos átomos separados de otros elementos, produciendo tres neutrones. Las partículas subatómicas pueden obtenerse de una fuente controlada (como un cañón de neutrones) o crearse a partir de colisiones nucleares. Generalmente se utilizan tres tipos de partículas subatómicas.

protones. Estas partículas subatómicas tienen masa y carga eléctrica positiva. El número de protones en un átomo determina de qué elemento es un átomo.
neutrones. La masa de estas partículas subatómicas es igual a la masa de un protón, pero son neutras (no tienen carga eléctrica).
partículas alfa. Estas partículas son núcleos libres de electrones de átomos de helio. Se componen de dos protones y dos neutrones.

Fisión nuclear

El descubrimiento de isótopos de elementos estables, el refinamiento de las medidas de la carga elemental fueron los primeros logros de la física de posguerra (1917-1918). En 1919, se hizo un nuevo descubrimiento sensacional: la fisión artificial del núcleo. Este descubrimiento fue hecho por Rutherford en Cambridge en el Laboratorio Cavendish, que dirigió en el mismo año, 1919.

Rutherford estudió la colisión de partículas a con átomos ligeros. Las colisiones de una partícula a con los núcleos de tales átomos deberían acelerarlos. Entonces, cuando una partícula a golpea un núcleo de hidrógeno, aumenta su velocidad 1,6 veces y el núcleo toma el 64% de su energía de la partícula a. Estos núcleos acelerados se detectan fácilmente por los centelleos que se producen cuando golpean una pantalla de sulfuro de zinc. De hecho, fueron observados por Marsden en 1914.

Rutherford continuó los experimentos de Marsden, pero, como él mismo señaló, estos experimentos "se llevaron a cabo a intervalos muy irregulares, ya que las ocupaciones diarias y el trabajo relacionado con la guerra permitieron..." "Los experimentos incluso se detuvieron por completo durante mucho tiempo". Solo después del final de la guerra se llevaron a cabo experimentos con regularidad, y sus resultados se publicaron en 1919 en cuatro artículos bajo el título general "Colisiones de partículas a con átomos ligeros".

El instrumento utilizado por Rutherford para estudiar tales colisiones era una cámara de latón de 18 cm de largo, 6 cm de alto y 2 cm de ancho.Un disco de metal revestido con una sustancia activa era la fuente de partículas a. El disco se colocó dentro de la cámara y se pudo colocar a diferentes distancias de la pantalla de sulfuro de zinc, en la que se observaron los centelleos usando un microscopio.

La cámara podría llenarse con varios gases (ver Fig. 78).

Arroz. 78. Espectrógrafo de masas Dempester

Cuando se introdujo oxígeno seco o dióxido de carbono, el número de centelleos disminuyó debido a la absorción de partículas a por la capa de gas. “Sin embargo, se descubrió un efecto inesperado”, escribió Rutherford en el cuarto artículo, “cuando se introdujo aire seco en el aparato. En lugar de disminuir, el número de centelleos aumentó, y para una absorción correspondiente a aproximadamente 19 cm de aire, su número fue aproximadamente 2 veces mayor que el observado en el vacío. A partir de este experimento quedó claro que las partículas a, cuando pasan a través del aire, dan lugar a centelleos correspondientes a grandes longitudes de trayectoria, cuyo brillo para el ojo parecía ser aproximadamente igual al brillo de los centelleos H. Dado que este efecto no se observó en el oxígeno y el dióxido de carbono, se podría argumentar con alta probabilidad que este efecto debe su origen al nitrógeno.

La cámara se llenó con nitrógeno limpio y completamente seco. "En nitrógeno puro, el número de centelleos correspondientes a un largo alcance fue mayor que en el aire". Por lo tanto, "los centelleos de largo alcance observados en el aire deben atribuirse al nitrógeno".

Sin embargo, era necesario demostrar que las partículas a de largo alcance que causan centelleos "son el resultado de colisiones de partículas a con átomos de nitrógeno".

Esquema de la primera instalación de Millikan

A través de numerosos experimentos, Rutherford demostró que así es y que como resultado de tales colisiones se obtienen partículas con un alcance máximo de 28 cm, el mismo que el de los átomos de H. “A partir de los resultados obtenidos hasta ahora”, escribió Rutherford, “es difícil evitar la conclusión de que los átomos de largo alcance que surgen de la colisión de partículas a con nitrógeno no son átomos de nitrógeno, sino, con toda probabilidad, átomos de hidrógeno o átomos con una masa de 2 Si esto es así, entonces debemos concluir que el átomo de nitrógeno se está desintegrando debido a las enormes fuerzas que se desarrollan en la colisión con la rápida partícula a, y que el átomo de hidrógeno liberado forma una parte constituyente del átomo.

Así, se descubrió el fenómeno de la división de los núcleos de nitrógeno durante el impacto de partículas a rápidas, y por primera vez se expresó la idea de que los núcleos de hidrógeno son parte integral de los núcleos de los átomos. Posteriormente, Rutherford propuso el término "protón" para este componente del núcleo. Rutherford terminó su artículo con las palabras: "Los resultados generalmente indican que si las partículas a o partículas similares que se mueven rápidamente con mucha más energía pudieran usarse para experimentos, entonces podría detectarse la destrucción de las estructuras nucleares de muchos átomos ligeros".

El 3 de junio de 1920, Rutherford pronunció la llamada Conferencia Bakerian titulada "La estructura nuclear del átomo". Al informar en esta conferencia sobre los resultados de su investigación sobre la colisión de partículas a con núcleos atómicos y sobre la división de núcleos de nitrógeno, Rutherford, discutiendo la naturaleza de los productos de fisión, hizo una suposición sobre la posibilidad de la existencia de núcleos con una masa de 3 y 2 y núcleos con una masa de un núcleo de hidrógeno, pero con carga cero. Al mismo tiempo, partió de la hipótesis, expresada por primera vez por Maria Sklodowska-Curie, de que los electrones forman parte del núcleo atómico.

Rutherford escribe que “le parece muy plausible que un electrón pueda unir dos núcleos H y quizás incluso un núcleo H. Si la primera suposición es cierta, entonces indica la posibilidad de la existencia de un átomo con una masa de aproximadamente 2 y con una carga. Tal sustancia debe considerarse como un isótopo de hidrógeno. El segundo supuesto incluye la idea de la posibilidad de la existencia de un átomo con una masa de 1 y una carga nuclear igual a cero. Tales formaciones parecen bastante posibles... Tal átomo tendría propiedades absolutamente fantásticas. Su campo externo debería ser prácticamente igual a cero, con excepción de las regiones muy cercanas al núcleo; como resultado, debería tener la capacidad de pasar libremente a través de la materia. La existencia de tal átomo probablemente sería difícil de detectar con un espectroscopio y no podría mantenerse en un recipiente cerrado. Por otro lado, debería entrar fácilmente en la estructura del átomo y combinarse con su núcleo o ser acelerado por el intenso campo de este último, dando lugar a un átomo de H cargado o un electrón, o ambos.

Así se planteó la hipótesis sobre la existencia del neutrón y del isótopo pesado del hidrógeno. Se expresó sobre la base de la hipótesis propuesta por M. Sklodowska-Curie de que los núcleos de los átomos consisten en núcleos de hidrógeno (protones) y electrones.

Esta noción explicó inmediatamente los números nucleares característicos A y Z.

Sin embargo, tales características del núcleo como el número de masa A y la carga Z resultaron ser insuficientes. En 1924, antes del descubrimiento del espín, W. Pauli sugirió que el núcleo tiene un momento magnético que afecta el movimiento de los electrones orbitales y, por lo tanto, crea una estructura hiperfina de líneas espectrales. La explicación de la fina estructura de los espectros por la presencia de momentos magnéticos de los núcleos inducidos por el espín condujo a la división de los núcleos en dos tipos. Los núcleos de tipo par con espín entero obedecen a las estadísticas de Bose, los núcleos de tipo impar con espín medio entero obedecen a las estadísticas de Fermi-Dirac. Por lo tanto, de acuerdo con la teoría protón-electrón, los núcleos que consisten en un número par de electrones y protones deben obedecer a las estadísticas de Bose, a partir de un número impar: las estadísticas de Fermi-Dirac.

En 1930, resultó que el núcleo de nitrógeno obedece a las estadísticas de Bose, aunque, según la teoría protón-electrón de la estructura del núcleo, consta de 21 partículas (14 protones, 7 electrones). Este hecho es conocido en la ciencia como la catástrofe del nitrógeno.

En el mismo año, cuando se descubrió la catástrofe del nitrógeno, se publicaron los resultados de los experimentos de L. Meitner y Ortman, confirmando los resultados de los experimentos de Ellis y Wooster en 1927. Estos experimentos mostraron que la energía total (3 rayos, medido por un microcalorímetro de pared gruesa, es menor que la diferencia entre las energías de los núcleos inicial y finito, es decir, parte de la energía emitida por el núcleo durante la desintegración p desaparece, resultando en una flagrante contradicción con la ley de conservación de energía.

La solución al problema de la catástrofe del nitrógeno y el enigma de los espectros p se dio sobre la base de la idea de la existencia en la naturaleza de partículas neutras, pesadas, llamadas neutrones, y ligeras, llamadas neutrinos, es decir. , el pequeño neutrón, por sugerencia de Fermi.

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Rutherford y el descubrimiento del núcleo atómico ¿Qué le pasó a alguien que en su juventud fue un buen jugador de rugby y luego adivinó antes que nadie que el átomo podía desintegrarse? Ernest Rutherford completó su "exilio" estadounidense en enero de 1907, algún tiempo después de su muerte.

Actualmente, la división de los núcleos de átomos de varios elementos se usa bastante. Todas las centrales nucleares funcionan con la reacción de fisión, el principio de funcionamiento de todas las armas nucleares se basa en esta reacción. En el caso de una reacción controlada o en cadena, el átomo, una vez dividido en partes, ya no puede volver a conectarse y volver a su estado original. Pero, usando los principios y leyes de la mecánica cuántica, los científicos lograron dividir el átomo en dos mitades y conectarlas nuevamente sin violar la integridad del átomo mismo.

Científicos de la Universidad de Bonn utilizaron el principio de incertidumbre cuántica, que permite que los objetos existan en varios estados a la vez. En el experimento, con la ayuda de algunos trucos físicos, los científicos hicieron que un solo átomo existiera en dos lugares a la vez, la distancia entre los cuales era un poco más de una centésima de milímetro, que en una escala atómica es solo una gran distancia.

Tales efectos cuánticos pueden manifestarse solo a temperaturas extremadamente bajas. El átomo de cesio se enfrió con luz láser a una temperatura de una décima de una millonésima de grado por encima del cero absoluto. Luego, el átomo enfriado se mantuvo en una trampa óptica de un haz de luz de otro láser.

Se sabe que el núcleo de un átomo puede girar en una de dos direcciones, dependiendo de la dirección de rotación, la luz del láser empuja el núcleo hacia la derecha o hacia la izquierda. "Pero un átomo, en cierto estado cuántico, puede tener una" personalidad dividida ", la mitad de él gira en una dirección, la otra en la dirección opuesta. Pero, al mismo tiempo, el átomo sigue siendo un objeto completo, ” dice el físico Andreas Steffen. Por lo tanto, el núcleo de un átomo, cuyas partes giran en direcciones opuestas, puede dividirse en dos partes mediante un rayo láser, y estas partes del átomo pueden estar separadas por una distancia considerable, lo que los científicos lograron realizar durante su experimento.

Los científicos afirman que usando un método similar, es posible crear los llamados "puentes cuánticos", que son conductores de información cuántica. Un átomo de una sustancia se divide en mitades, que se separan a los lados hasta que entran en contacto con los átomos adyacentes. Se forma una especie de calzada, un tramo que conecta los dos pilares del puente, a través del cual se puede transmitir la información. Esto es posible debido a que el átomo dividido de esta manera sigue siendo un todo único a nivel cuántico debido a que las partes del átomo están entrelazadas a nivel cuántico.

Los científicos de la Universidad de Bonn utilizarán esta tecnología para modelar y crear sistemas cuánticos complejos. "El átomo es como un engranaje bien engrasado para nosotros", dice el Dr. Andrea Alberti, líder del equipo. "Usando muchos de estos engranajes, puede crear una calculadora cuántica con características que superan con creces las de las computadoras más avanzadas. Solo necesita poder colocar y conectar correctamente estos engranajes".

Las instalaciones en las que se llevan a cabo colisiones de partículas de alta energía (aceleradores de partículas) sorprenden por su tamaño y costo. Alcanzan varios kilómetros de diámetro y, en comparación con ellos, incluso los laboratorios en los que se estudian las colisiones de partículas parecen diminutos. En otras áreas de investigación científica, el equipo está ubicado en el laboratorio; en física de alta energía, los laboratorios están conectados al acelerador. Recientemente, el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN), ubicado cerca de Ginebra, asignó varios cientos de millones de dólares para la construcción de un acelerador de anillo. La circunferencia del túnel que se construye con este fin alcanza los 27 km. El acelerador, llamado LEP (LEP, Large Electron-Positron Ring), está diseñado para acelerar los electrones y sus antipartículas (positrones) a velocidades que están a solo un cabello de distancia de la velocidad de la luz. Para tener una idea de la escala de energía, imagine que en lugar de electrones, una moneda de un centavo se acelera a tales velocidades. ¡Al final del ciclo de aceleración, tendría suficiente energía para generar $ 1,000 millones en electricidad! No sorprende que tales experimentos se clasifiquen generalmente como física de alta energía. Moviéndose uno hacia el otro dentro del anillo, los haces de electrones y positrones experimentan colisiones frontales, en las que los electrones y los positrones se aniquilan, liberando energía suficiente para crear docenas de otras partículas.

Es importante tener en cuenta que todas estas numerosas y diversas partículas inestables no son de ninguna manera en el sentido literal partes constituyentes protones, neutrones o electrones. Los electrones y positrones de alta energía que chocan no se dispersan en absoluto en muchos fragmentos subatómicos. Incluso en colisiones de protones de alta energía, que obviamente consisten en otros objetos (quarks), por regla general, no se dividen en partes constituyentes en el sentido habitual. Lo que sucede en tales colisiones se ve mejor como la producción directa de nuevas partículas a partir de la energía de la colisión.

Hace unos veinte años, los físicos estaban completamente desconcertados por la abundancia y variedad de nuevas partículas subatómicas, que parecían no tener fin. era imposible de entender para qué tantas partículas. Tal vez las partículas elementales sean como los habitantes del zoológico con su pertenencia implícita a familias, pero sin una taxonomía clara. ¿O tal vez, como creían algunos optimistas, las partículas elementales tienen la clave del universo? ¿Qué son las partículas observadas por los físicos: fragmentos insignificantes y aleatorios de materia o los contornos de un orden vagamente percibido que aparecen ante nuestros ojos, indicando la existencia de una estructura rica y compleja del mundo subnuclear? Hoy no hay duda sobre la existencia de tal estructura. El microcosmos tiene un orden profundo y racional, y comenzamos a comprender cuál es el significado de todas estas partículas.

El primer paso hacia la comprensión del microcosmos se dio como resultado de la sistematización de todas las partículas conocidas, al igual que en el siglo XVIII. los biólogos compilaron catálogos detallados de especies de plantas y animales. Las características más importantes de las partículas subatómicas son la masa, la carga eléctrica y el espín.

Dado que la masa y el peso están relacionados, las partículas con una gran masa a menudo se denominan "pesadas". Relación de Einstein E \u003d mc^ 2 indica que la masa de una partícula depende de su energía y por lo tanto de su velocidad. Una partícula en movimiento es más pesada que una partícula en reposo. Cuando la gente habla de la masa de una partícula, lo dice en serio. masa de descanso, ya que esta masa es independiente del estado de movimiento. Una partícula con masa cero en reposo se mueve a la velocidad de la luz. El ejemplo más obvio de una partícula con masa cero en reposo es el fotón. Se cree que el electrón es la más ligera de las partículas con masa en reposo distinta de cero. El protón y el neutrón son casi 2.000 veces más pesados, mientras que la masa de la partícula más pesada que se ha creado en el laboratorio (partículas Z) es unas 200.000 veces la masa de un electrón.

La carga eléctrica de las partículas varía en un rango bastante estrecho, pero, como señalamos, siempre es un múltiplo de la unidad fundamental de carga. Algunas partículas, como los fotones y los neutrinos, no tienen carga eléctrica. Si la carga de un protón cargado positivamente se toma como +1, entonces la carga de un electrón es -1.

Pulgada. 2 hemos introducido una característica de partícula más: el espín. También siempre toma valores que son múltiplos de alguna unidad fundamental, que por razones históricas se elige que sea 1 /2. Así, el protón, el neutrón y el electrón tienen un espín. 1/2, y el giro del fotón es 1. También se conocen partículas con giros 0, 3/2 y 2. No se han encontrado partículas fundamentales con giros mayores que 2, y los teóricos creen que no existen partículas con tales giros.

El espín de una partícula es una característica importante y, según su valor, todas las partículas se dividen en dos clases. Las partículas con espines 0, 1 y 2 se denominan "bosones", en honor al físico indio Chatyendranath Bose, y las partículas con espín medio entero (es decir, con espín 1/2 o 3/2). - "fermiones" en honor a Enrico Fermi. Pertenecer a una de estas dos clases es probablemente la más importante en la lista de características de las partículas.

Otra característica importante de una partícula es su tiempo de vida. Hasta hace poco tiempo se creía que los electrones, protones, fotones y neutrinos son absolutamente estables, es decir, tener una vida infinita. El neutrón permanece estable mientras esté "bloqueado" en el núcleo, pero un neutrón libre se desintegra en unos 15 minutos. Todas las demás partículas conocidas son muy inestables, con tiempos de vida que van desde unos pocos microsegundos hasta 10-23 s. Dichos intervalos de tiempo parecen incomprensiblemente pequeños, pero no hay que olvidar que una partícula que vuela a una velocidad cercana a la de la luz (y la mayoría de las partículas que nacen en los aceleradores se mueven precisamente a esa velocidad) logra volar una distancia de 300 m en un microsegundo.

Las partículas inestables sufren descomposición, que es un proceso cuántico y, por lo tanto, siempre hay un elemento de imprevisibilidad en la descomposición. La vida útil de una partícula en particular no se puede predecir de antemano. Según consideraciones estadísticas, solo se puede predecir la vida útil promedio. Se suele hablar de la vida media de una partícula, el tiempo que tarda una población de partículas idénticas en reducirse a la mitad. El experimento muestra que la disminución de la población ocurre exponencialmente (ver Fig. 6) y la vida media es 0.693 de la vida media.

No es suficiente que los físicos sepan que tal o cual partícula existe, se esfuerzan por comprender cuál es su función. La respuesta a esta pregunta depende de las propiedades de las partículas enumeradas anteriormente, así como de la naturaleza de las fuerzas que actúan sobre la partícula desde el exterior y el interior. En primer lugar, las propiedades de una partícula están determinadas por su capacidad (o incapacidad) para participar en interacciones fuertes. Las partículas que participan en la interacción fuerte forman una clase especial y se denominan andrones. Las partículas que participan en la interacción débil y no participan en la interacción fuerte se denominan leptones, que significa "pulmones". Echemos un breve vistazo a cada una de estas familias.

leptones

El más famoso de los leptones es el electrón. Como todos los leptones, parece ser un objeto puntual elemental. Por lo que se sabe, el electrón no tiene estructura interna; no consta de ninguna otra partícula. Aunque los leptones pueden o no tener carga eléctrica, todos tienen el mismo espín. 1/2, por lo tanto son fermiones.

Otro leptón muy conocido, pero sin carga, es el neutrino. Como ya se mencionó en el Cap. 2, los neutrinos son escurridizos, como fantasmas. Dado que los neutrinos no participan en interacciones fuertes ni electromagnéticas, ignoran casi por completo la materia, penetrando a través de ella como si no estuviera allí. El alto poder de penetración de los neutrinos durante mucho tiempo hizo muy difícil confirmar experimentalmente su existencia. No fue hasta casi tres décadas después de que se predijera el neutrino que finalmente se descubrieron en el laboratorio. Los físicos tuvieron que esperar a la creación de los reactores nucleares, durante los cuales se emite una gran cantidad de neutrinos, y solo entonces fue posible registrar una colisión frontal de una partícula con el núcleo y, por lo tanto, demostrar que realmente existe. Hoy en día, es posible realizar muchos más experimentos con haces de neutrinos, que surgen durante la descomposición de partículas en un acelerador y tienen las características requeridas. La gran mayoría de los neutrinos "ignoran" el objetivo, pero de vez en cuando los neutrinos aún interactúan con el objetivo, lo que permite obtener información útil sobre la estructura de otras partículas y la naturaleza de la interacción débil. Por supuesto, los experimentos con neutrinos, a diferencia de los experimentos con otras partículas subatómicas, no requieren el uso de protección especial. El poder de penetración de los neutrinos es tan grande que son completamente inofensivos y atraviesan el cuerpo humano sin causarle el menor daño.

A pesar de su intangibilidad, los neutrinos ocupan una posición especial entre otras partículas conocidas, ya que son las partículas más abundantes en el universo, superando en número a los electrones y protones por mil millones de veces. El Universo es esencialmente un mar de neutrinos, en el que ocasionalmente se encuentran inclusiones en forma de átomos. Incluso es posible que la masa total de los neutrinos exceda la masa total de las estrellas y, por lo tanto, son los neutrinos los que hacen la principal contribución a la gravedad cósmica. Según un grupo de investigadores soviéticos, el neutrino tiene una masa en reposo minúscula, pero no nula (menos de una diezmilésima parte de la masa de un electrón); si esto es cierto, entonces los neutrinos gravitacionales dominan el universo, lo que en el futuro puede provocar su colapso. Así, los neutrinos, a primera vista, las partículas más “inofensivas” e incorpóreas, son capaces de provocar el colapso de todo el Universo.

Otros leptones incluyen el muón, descubierto en 1936 en los productos de la interacción de los rayos cósmicos; resultó ser una de las primeras partículas subatómicas inestables conocidas. En todos los aspectos, excepto en la estabilidad, el muón se parece a un electrón: tiene la misma carga y espín, participa en las mismas interacciones, pero tiene una masa mayor. En aproximadamente dos millonésimas de segundo, un muón se descompone en un electrón y dos neutrinos. Los muones están ampliamente distribuidos en la naturaleza, representan una parte significativa de la radiación cósmica de fondo, que se registra en la superficie de la Tierra mediante un contador Geiger.

Durante muchos años, el electrón y el muón fueron los únicos leptones cargados conocidos. Luego, a fines de la década de 1970, se descubrió un tercer leptón cargado, al que se denominó “leptón tau”. Con una masa de alrededor de 3500 masas de electrones, el leptón tau es obviamente el "peso pesado" en el trío de leptones cargados, pero en todos los demás aspectos se comporta como un electrón y un muón.

Esta lista de leptones conocidos no está agotada. En la década de 1960 se estableció que existen varios tipos de neutrinos. Un neutrino de un tipo nace junto con un electrón durante la desintegración de un neutrón y un neutrino de otro tipo, durante el nacimiento de un muón. Cada tipo de neutrino está emparejado con su propio leptón cargado; por lo tanto, hay un "neutrino electrónico" y un "neutrino muónico". Con toda probabilidad, también debería haber un neutrino del tercer tipo, que acompaña al nacimiento de un leptón tau. En este caso, el número total de variedades de neutrinos es tres y el número total de leptones es seis (Tabla 1). Por supuesto, cada leptón tiene su propia antipartícula; por tanto, el número total de leptones distintos es doce.

tabla 1

Seis leptones corresponden a modificaciones cargadas y neutras (las antipartículas no se incluyen en la tabla). La masa y la carga se expresan en unidades de masa y carga del electrón, respectivamente. Hay evidencia de que los neutrinos pueden tener una masa pequeña

hadrones

A diferencia del puñado de leptones de hadrones conocidos, hay literalmente cientos. Esto solo sugiere que los hadrones no son partículas elementales, sino que están construidos a partir de componentes más pequeños. Todos los hadrones participan en interacciones fuertes, débiles y gravitatorias, pero se presentan en dos variedades: eléctricamente cargados y neutros. Entre los hadrones, el neutrón y el protón son los más conocidos y difundidos. Los hadrones restantes tienen una vida corta y se desintegran en menos de una millonésima de segundo debido a la interacción débil, o mucho más rápido (del orden de 10-23 s) debido a la interacción fuerte.

En la década de 1950, los físicos estaban extremadamente desconcertados por la abundancia y diversidad de hadrones. Pero poco a poco, las partículas fueron clasificadas según tres importantes características: masa, carga y espín. Gradualmente, comenzaron a aparecer señales de orden y comenzó a surgir una imagen clara. Hubo indicios de que las simetrías estaban ocultas detrás del aparente caos de los datos. En 1963 se dio un paso decisivo para desentrañar el misterio de los hadrones, cuando Murray Gell-Mann y George Zweig del Instituto de Tecnología de California propusieron la teoría de los quarks.

Arroz. diez Los hadrones se construyen a partir de quarks. El protón (arriba) está formado por dos quarks u y un quark d. El pión más claro (abajo) es un mesón que consta de un quark u y un antiquark d. Otros hadrones son todo tipo de combinaciones de quarks.

La idea básica de esta teoría es muy simple. Todos los hadrones se construyen a partir de partículas más pequeñas llamadas quarks. Los quarks pueden combinarse entre sí de dos maneras posibles: ya sea en tripletes o en pares de quark-antiquark. Las partículas relativamente pesadas están formadas por tres quarks: bariones, que significa "partículas pesadas". Los bariones más conocidos son el neutrón y el protón. Los pares quark-antiquark más ligeros forman partículas llamadas mesones -"partículas intermedias". La elección de tal nombre se explica por el hecho de que los primeros mesones descubiertos ocupaban una posición intermedia en masa entre electrones y protones. Para dar cuenta de todos los hadrones conocidos entonces, Gell-Mann y Zweig introdujeron tres tipos diferentes ("sabores") de quarks, que recibieron nombres bastante extraños: y(de arriba- superior), d(de abajo- inferior) y s (de extraño- extraño). Asumiendo la posibilidad de varias combinaciones de sabores, se puede explicar la existencia de un gran número de hadrones. Por ejemplo, un protón está formado por dos y- y un quark d (Fig. 10), y el neutrón está formado por dos quarks d y un quark u.

Para que la teoría propuesta por Gell-Mann y Zweig sea válida, es necesario suponer que los quarks llevan una carga eléctrica fraccionaria. En otras palabras, tienen una carga cuyo valor es 1/3 o 2/3 de la unidad fundamental: la carga del electrón. Una combinación de dos y tres quarks puede tener una carga total igual a cero o uno. Todos los quarks tienen espín 1/2. entonces son fermiones. Las masas de los quarks no se han establecido con tanta precisión como las masas de otras partículas, ya que su energía de enlace en un hadrón es comparable a las masas de los propios quarks. Sin embargo, se sabe que el quark s es más pesado y- y d quarks.

Dentro de los hadrones, los quarks pueden estar en estados excitados, en muchos aspectos similares a los estados excitados de un átomo, pero con energías mucho más altas. El exceso de energía contenido en un hadrón excitado aumenta tanto su masa que, antes de la creación de la teoría de los quarks, los físicos erróneamente tomaban los hadrones excitados por partículas completamente diferentes. Ahora se ha establecido que muchos de los hadrones aparentemente diferentes son en realidad solo estados excitados del mismo conjunto fundamental de quarks.

Como ya se mencionó en el Cap. 5, los quarks se mantienen unidos por una fuerte interacción. Pero también participan en interacciones débiles. La fuerza débil puede cambiar el sabor de un quark. Así es como se produce el decaimiento de neutrones. Uno de los quarks d en el neutrón se convierte en un quark u, y el exceso de carga se lleva el electrón que nace al mismo tiempo. De manera similar, al cambiar el sabor, la interacción débil conduce a la descomposición de otros hadrones.

La existencia de s-quarks es necesaria para la construcción de las llamadas partículas "extrañas" - hadrones pesados, descubiertos a principios de la década de 1950. El comportamiento inusual de estas partículas, que motivó su nombre, era que no podían desintegrarse debido a la fuerte interacción, aunque tanto ellas mismas como sus productos de desintegración eran hadrones. Los físicos se han preguntado por qué, si las partículas madre e hija pertenecen a la familia de los hadrones, la fuerza fuerte no hace que se desintegren. Por alguna razón, estos hadrones "preferían" la interacción débil mucho menos intensa. ¿Por qué? La teoría de los quarks resolvió naturalmente este enigma. La fuerza fuerte no puede cambiar el sabor de los quarks, solo la fuerza débil puede hacerlo. Y sin cambio de sabor, acompañado de la transformación del s-quark en y- o d-quark, la descomposición es imposible.

En mesa. La Figura 2 muestra las diversas combinaciones posibles de quarks de tres sabores y sus nombres (generalmente solo una letra griega). No se muestran numerosos estados excitados. El hecho de que todos los hadrones conocidos puedan obtenerse a partir de varias combinaciones de las tres partículas básicas simbolizó el principal triunfo de la teoría de los quarks. Pero a pesar de este éxito, solo unos años más tarde se obtuvieron pruebas físicas directas de la existencia de los quarks.

Estas pruebas se obtuvieron en 1969 en una serie de experimentos históricos realizados en un gran acelerador lineal en Stanford (California, EE. UU.) - SLAC. Los experimentadores de Stanford razonaron simplemente. Si realmente hay quarks en el protón, entonces se pueden observar colisiones con estas partículas dentro del protón. Todo lo que se necesita es un "proyectil" subnuclear que pueda dispararse directamente al núcleo del protón. Es inútil utilizar otro hadrón para este fin, ya que tiene las mismas dimensiones que el protón. Un proyectil ideal podría ser un leptón, como un electrón. Dado que el electrón no participa en la interacción fuerte, no se "atascará" en el medio que forman los quarks. Al mismo tiempo, el electrón puede sentir la presencia de quarks debido a la presencia de una carga eléctrica sobre ellos.

Tabla 2

Los tres tipos de quarks, u, d y s, corresponden a las cargas +2/3, -1/3 y -1/3; se combinan de a tres para formar los ocho bariones que se muestran en la tabla. Los pares quark-antiquark forman mesones. (Se omiten algunas combinaciones como sss).

En el experimento de Stanford, el acelerador de tres kilómetros sirvió esencialmente como un "microscopio" electrónico gigante que hizo posible obtener imágenes del interior de un protón. Un microscopio electrónico convencional permite distinguir detalles de tamaño inferior a una millonésima de centímetro. El protón, por otro lado, es varias decenas de millones de veces más pequeño y solo puede ser "sentido" por electrones acelerados a una energía de 2.1010 eV. En el momento de los experimentos de Stanford, pocos físicos se adhirieron a la teoría simplificada de los quarks. La mayoría de los científicos esperaban que los electrones fueran desviados por las cargas eléctricas de los protones, pero se suponía que la carga estaba distribuida uniformemente dentro del protón. Si esto fuera cierto, entonces ocurriría principalmente una débil dispersión de electrones, es decir, al pasar a través de protones, los electrones no sufrirían fuertes desviaciones. El experimento mostró que el patrón de dispersión difería marcadamente del esperado. Todo sucedió como si algunos electrones estuvieran golpeando pequeñas inclusiones duras y rebotando en los ángulos más increíbles. Ahora sabemos que los quarks son inclusiones muy duras dentro de los protones.

En 1974, una versión simplificada de la teoría de los quarks, que en ese momento había recibido reconocimiento entre los teóricos, recibió un golpe sensible. En unos pocos días, dos grupos de físicos estadounidenses, uno en Stanford dirigido por Burton Richter, el otro en el Laboratorio Nacional de Brookhaven dirigido por Samuel Ting, anunciaron de forma independiente el descubrimiento de un nuevo hadrón, que se llamó psi-partícula. En sí mismo, el descubrimiento de un nuevo hadrón difícilmente hubiera sido especialmente destacable, si no fuera por una circunstancia: el hecho es que en el esquema propuesto por la teoría de los quarks no había lugar para una sola partícula nueva. Todas las combinaciones posibles de los quarks u, d y s y sus antiquarks ya se han "agotado". ¿De qué está hecha una psi-partícula?

El problema se resolvió recurriendo a una idea que había estado en el aire durante algún tiempo: debe haber una cuarta fragancia que nadie había visto antes. La nueva fragancia ya tenía su propio nombre: encanto (encanto), o c. Se sugirió que una partícula psi es un mesón que consta de un quark c y un antiquark c (c), es decir CC. Dado que los antiquarks son portadores del antiaroma, el encanto de la partícula psi se neutraliza y, por lo tanto, la confirmación experimental de la existencia de un nuevo sabor (encanto) tuvo que esperar hasta que fue posible detectar mesones, en los que los quarks encantados se emparejaron con anti-quarkamps de otros sabores. . Ahora se conoce toda una cadena de partículas encantadas. Todos son muy pesados, por lo que el quark encanto es más pesado que el quark extraño.

La situación descrita anteriormente se repitió en 1977, cuando entró en escena el llamado mesón upsilon (UPSILON). Esta vez, sin dudarlo mucho, se introdujo el quinto sabor, llamado b-quark (desde abajo - abajo, y más a menudo belleza - belleza o encanto). El mesón upsilon es un par quark-antiquark formado por quarks b y por lo tanto tiene una belleza oculta; pero, como en el caso anterior, una combinación diferente de quarks finalmente hizo posible descubrir la "belleza".

Las masas relativas de los quarks pueden juzgarse al menos por el hecho de que el más ligero de los mesones, el pión, consta de pares y- y d-quarks con antiquarks. El mesón psi es unas 27 veces, y el mesón upsilon es al menos 75 veces más pesado que el pión.

La expansión gradual de la lista de sabores conocidos se produjo en paralelo con el aumento del número de leptones; así que surgió la pregunta obvia de si alguna vez habría un final. Los quarks se introdujeron para simplificar la descripción de toda la variedad de hadrones, pero incluso ahora existe la sensación de que la lista de partículas vuelve a crecer demasiado rápido.

Desde la época de Demócrito, la idea fundamental del atomismo ha sido el reconocimiento de que, en una escala suficientemente pequeña, deben existir partículas verdaderamente elementales, cuyas combinaciones componen la materia que nos rodea. La atomística es atractiva porque las partículas fundamentales indivisibles (por definición) deben existir en un número muy limitado. La diversidad de la naturaleza se debe a una gran cantidad de partes no constituyentes, sino a sus combinaciones. Cuando se descubrió que existen muchos núcleos atómicos diferentes, se desvaneció la esperanza de que lo que hoy llamamos átomos correspondiera a la idea de los antiguos griegos de las partículas elementales de la materia. Y aunque por tradición seguimos hablando de varios "elementos" químicos, se sabe que los átomos no son elementales en absoluto, sino que están formados por protones, neutrones y electrones. Y tan pronto como el número de quarks resulta ser demasiado grande, existe la tentación de asumir que ellos también son sistemas complejos que consisten en partículas más pequeñas.

Aunque por esta razón existe cierta insatisfacción con el esquema de los quarks, la mayoría de los físicos consideran que los quarks son partículas verdaderamente elementales, puntuales, indivisibles y sin estructura interna. En este sentido se parecen a las peptonas, y durante mucho tiempo se ha sugerido que debe haber una relación profunda entre estas dos familias distintas pero estructuralmente similares. Los fundamentos de tal punto de vista surgen de una comparación de las propiedades de los leptones y los quarks (Tabla 3). Los leptones se pueden agrupar en pares asociando cada leptón cargado con un neutrino correspondiente. Los quarks también se pueden agrupar en pares. Pestaña. 3 está diseñado de tal manera que cada celda repite la estructura ubicada directamente frente a ella. Por ejemplo, en la segunda celda, el muón se representa como un “electrón pesado”, y los quarks encanto y extraño se representan como variantes pesadas. y- y d quarks. En el cuadro siguiente, puede ver que el leptón tau es un "electrón" aún más pesado, y el quark b es una versión de peso pesado del quark d. Para una analogía completa, un neutrino más (tau-leptoniano) y un sexto sabor de quarks, que ya recibió el nombre de verdadero (verdad, t). En el momento de escribir este libro, la evidencia experimental de la existencia de los quarks t aún no era lo suficientemente convincente, y algunos físicos dudaron de que existieran.

Tabla 3

Los leptones y los quarks se emparejan naturalmente. como se muestra en la tabla. El mundo que nos rodea consiste en las primeras cuatro partículas. Pero los siguientes grupos, aparentemente, repiten el superior y consisten, en la corona de neutrinos, en partículas extremadamente inestables.

¿Puede haber un cuarto, quinto, etc. vapores que contienen partículas aún más pesadas? Si es así, entonces la próxima generación de aceleradores probablemente les dará a los físicos la capacidad de detectar tales partículas. Sin embargo, se expresa una curiosa consideración, de la que se sigue que no existen otros pares, salvo los tres nombrados. Esta consideración se basa en el número de tipos de neutrinos. Pronto sabremos que en el momento del Big Bang, que marcó el surgimiento del Universo, hubo un intenso nacimiento de neutrinos. Una especie de democracia garantiza a cada tipo de partículas la misma parte de energía que el resto; por lo tanto, cuantos más tipos diferentes de neutrinos, más energía está contenida en el mar de neutrinos que llena el espacio exterior. Los cálculos muestran que si hay más de tres variedades de neutrinos, entonces la gravedad creada por todos ellos tendría un fuerte efecto perturbador en los procesos nucleares que tuvieron lugar en los primeros minutos de la vida del Universo. Por lo tanto, de estas consideraciones indirectas se sigue una conclusión muy plausible de que los tres pares que se muestran en la Tabla. 3, se agotan todos los quarks y leptones que existen en la naturaleza.

Es interesante notar que toda la materia ordinaria en el Universo consta de solo dos leptones más ligeros (un electrón y un neutrino electrónico) y dos quarks más ligeros ( y y d). Si todos los demás leptones y quarks dejaran de existir repentinamente, entonces en el mundo que nos rodea, aparentemente, muy poco cambiaría.

Es posible que los quarks y leptones más pesados desempeñen el papel de una especie de sustituto de los quarks y leptones más ligeros. Todos ellos son inestables y se desintegran rápidamente en partículas ubicadas en la celda superior. Por ejemplo, el leptón tau y el muón se descomponen en electrones, mientras que las partículas extrañas, encantadas y hermosas se descomponen con bastante rapidez en neutrones o protones (en el caso de los bariones) o leptones (en el caso de los mesones). Surge la pregunta: para qué¿Existen todas estas partículas de segunda y tercera generación? ¿Por qué la naturaleza los necesitaba?

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